半导体对我们生活的各个方面都有无尽的影响。半导体是微处理器芯片和晶体管的核心。任何计算机化或是使用无线电波的设备都是在半导体基础上发展起来的。

今天，大多数半导体芯片和晶体管是硅基的。你可能听说过“硅谷”和“硅经济”这样的表达，这也是为什么硅是电子设备的核心。

二极管可能是最简单的半导体设备，因此其是你理解半导体工作原理的最简单开端。在本文中，你将了解到什么是半导体，掺杂机理及半导体如何创建二极管。但是首先，我们来近距离的了解下硅。

硅是很常见的元素——例如，它是砂子和石英的主要组成元素。如果你在元素周期表中查找“硅”，你将发现其靠近铝，在碳下面在锗上面。

碳，硅，锗（锗和硅一样，也是半导体）其电子结构具有特殊性——其最外层轨道具有四个电子。这使得他们能形成好的晶体。这四个电子与邻近电子完美结合，形成晶格。我们知道碳可以形成金刚石。Si晶体形式是银，像金属一样的物质。

在硅晶格中，所有的原子与邻近的四个原子完美结合，无自由电子是电流导电。这使得硅晶体是绝缘体而不是导体。

金属之所以是电的良好导体是因为他们通常具有在原子间易于移动的“自由电子”，电子移动形成电。尽管Si晶体看着像金属，但实际上它们不是金属。硅晶体的所有外层电子都具有完美的共价键，所以它们不能移动。纯的硅晶体接近绝缘体——很少有电流过。

但是其可以通过掺杂来改变这一过程。

硅掺杂

你可通过掺杂改变硅的行为并将其转变为导体。掺杂是指将少量的杂质引入到硅晶体中。有两种杂质：

N型——N型掺杂中，少量的磷或是砷被引入到硅中。磷和砷外层均具有5个电子，所以当被引入到硅晶格中是不对称的。第五个电子没有结合，其可自由移动。仅需少量的杂质就能创造足够的自由电子来形成流经硅的电流。N型硅是很好的导体。电子带负电，因此成为N型。

P型——P型掺杂中，硼或镓是掺杂剂。硼或镓都只有三个电子。当引入到硅晶格中，因为硅的一个电子未被结合，在硅晶格中形成“空穴”。电子缺失使得其带正电，因此成为P型。空穴可以导电。空穴可以从邻位接受电子，空穴移动。P型也是很好的导体。

少量的N型或是P型掺杂使得硅晶体由良好的绝缘体变为可见（不是很多）的导体——因此命名为“半导体”。

N型、P型硅本身并不奇特；但将其合并在一起时，在连接处会有有意思的表现。这就是在二极管中发生的现象。

二极管可能是最简单的半导体设备。二极管只能容许电流沿一个方向运动。在剧院或是火车站你能看到只能让人们从一个方向进入的十字转门。二极管是电子设备的单向十字转门。

当你像图中所示将N/P型Si结合在一起，你将发现使二极管具备特殊性质的有趣现象。

尽管N型Si本身是导体，P型Si本身也是导体，图中所示的结合方式不能导电。N型Si中的带负电电子与电池负极相接。因为电子和空穴沿错误方向移动，没有电流流经连接处。

如果你轻弹电池，二极管就可导电。N型Si中的自由电子由于电源负极抵消。P型Si中的空穴被正极抵消。N/P型连接处，空穴和自由电子接触。电子填充空穴。这些空穴和电子停止出现，新的空穴和电子出现取代他们的位置。最终结果是电流流经结合处。

下一节，我们将看到其在二极管和晶体管间的应用。

二极管和晶体管

一个方向阻塞电流，另一个方向容许电流流通的设备叫做二极管。二极管有许多应用。；如，使用电池的设备通常含有二极管，二极管可以在电池反装的条件下保护设备。如果电池反装二极管可防止电流流经电池——这可保护设备中的敏感器件。

半导体二极管的功能还不完美，如图所示。

当反转偏差，理想的二极管应该能完全阻挡电流。现实中二极管可能容许10微安的电流经过——虽然不多，但还是不完美。如果你加了足够的反向电压（V），连接处损坏，电流流通。通常，损坏电压比曾看到的电流要高，所以是不相干的。

当整箱偏离时，需要少量的电压就能使二极管工作。在Si中，该电压大约为0.7V。这个电压可以开启连接处的电子空穴结合。

与二极管相关的另一个伟大的技术是晶体管。晶体管和二极管有许多共同点。

晶体管

与由两层做成的二极管不同的是晶体管由三层组成。可形成NPN或是PNP型三层结构。晶体管可以作为开关或是放大器。

晶体管就像是背靠背的两个二极管。因为背靠背的两个二极管可以阻碍双向的电流流通，因此你可以想象没有电流能流经晶体管。的确如此。然而，当你在三明治结构的中间层应用小电流时，在晶体管间将流通很多电流。这使得晶体管具有转换功能。少量的电流能转化成大电流。

Si芯片是由上千的晶体管组成的Si片。由于晶体管作为开关，你可以创建布尔栅，通过布尔栅你可以创建未处理器芯片。

Si到掺杂硅到晶体管到芯片的自然演变形成了微处理器和其他电子设备。而其基层原理却是如此的简单。其奇迹就来源与这些基础原理的持续提炼，今天，廉价的上千万晶体管可用于制造单一芯片。

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新材料在线编译整理——翻译：范红娜     校正：摩天轮